Automatyka budynkowa

W ten sposób można zoptymalizować ich pracę w celu uzyskania dodatkowych oszczędności oraz udogodnień dla osób znajdujących się w pomieszczeniach. W dwuczęściowym artykule przedstawiamy najważniejsze informacje dotyczące technologii wykorzystywanych w inteligentnych budynkach, w szczególności związanych z różnymi typami instalacji i standardami sieciowymi.

Trudne początki

Jeszcze kilkanaście lat temu zastosowanie technologii sieciowych do usprawnienia na dużą skalę pracy różnych instalacji znajdujących się w biurowcach lub budynkach mieszkalnych było bardzo mało popularne. Główne ograniczenie stanowiły wysokie koszty implementacji takich systemów oraz brak uniwersalnych standardów i interfejsów do komunikacji.

Zwykle systemy nadzorujące układy automatyki w budynkach były tylko rozwijane w przypadku dużych i spektakularnych instalacji w biurowcach lub budynkach użyteczności publicznej, takich jak dworce, stadiony lub lotniska. Głównym założeniem była redukcja kosztów utrzymania oraz zużywanej energii.

Pierwsze próby komercyjnego zastosowania systemów automatyki do zarządzania budynkami pojawiły się już w roku 1975 wraz z powstaniem technologii przesyłania sygnałów linią zasilającą o nazwie X10, która zaproponowaną przez szkocką firmę Pico Electronics. Początkowo ich działanie ograniczało się do prostego włączania i wyłączania różnych urządzeń, takich jak np. wentylatory lub lampy.

Kolejnym ważnym krokiem było powstanie standardu komunikacyjnego CEBus, opracowanego w latach 1984-1994, przez organizację EIA (Electronics Industries Association, obecnie CIA – Consumer Electronics Association). Definiował on sposób komunikacji wewnątrz budynków, w celu przesyłania danych z wykorzystaniem różnego rodzaju mediów – linii zasilającej, okablowania typu skrętka, podczerwieni i połączenia radiowego. Standard CEBus nie spotkał się jednak z dużym zainteresowaniem i stopniowo tracił na znaczeniu.

Grzegorz Tomas - Inteligentne domy Domito, MCD Electronics

Jak rozwija się rynek automatyki domowej w Polsce i Europie ?

Podobnie jak w bardzo wielu innych dziedzinach, również w przypadku automatyki prekursorami branży są duże firmy, które instalują systemy inteligentnego sterowania w swoich siedzibach. Na dzień dzisiejszy to właśnie one są najliczniejszą grupą odbiorców urządzeń tego typu. Automatyka taka trafia jednak coraz częściej do inwestorów prywatnych – inteligentne instalacje w (zachodnio)europejskich domach to już niemal norma. Niemniej jednak również w Polsce zauważalny jest wyraźny wzrost zainteresowania tego typu rozwiązaniami.

Automatyka domowa (home automation) – wyróżniony sektor automatyki budynkowej skupiający się na prywatnych domach ma, na co wszystko wskazuje, świetlaną przyszłość. Europejski rynek automatyki domowej rozwija się w tempie 9,1% rocznie – w 2006 roku wart on był 232,6 mln dolarów, a zgodnie z prognozami w 2013 roku jego wartość osiągnąć może 446 mln dolarów.

Ten imponujący wzrost jest w dużej mierze rezultatem boomu budowlanego oraz faktu, że aż cztery na pięć systemów jest instalowanych w nowo budowanych domach. Innymi czynnikami sprzyjającymi rozwojowi rynku są lub będą wzrost instytucjonalnego nacisku organów UE na oszczędność energii oraz rozwój i upowszechnienie się technologii, a co za tym idzie spadek cen automatyki domowej.

W chwili obecnej wysokie ceny, zwłaszcza w Polsce, są największą barierą na drodze do upowszechnienia się inteligentnych domów. Prawdopodobnie jesteśmy świadkami tworzenia się nowego standardu życia – rewolucji nie mniejszej niż elektryfikacja domostw.

Szybki rozwój

Rys. 1. Trójpoziomowa hierarchia sieci w automatyce budynków

Ostatnie kilkanaście lat pozwoliło na zaprezentowanie wielu firmom zaawansowanych rozwiązań komunikacji pomiędzy urządzeniami w budynkach oraz sposobu ich automatyzacji.

Wraz ze znacznym spadkiem cen urządzeń elektronicznych oraz wzrostem zainteresowania nimi i wsparcia ze strony dużych firm, automatyka budynkowa stanowi obecnie jeden z obiecujących obszarów, w którym możliwe jest zastosowanie nowoczesnych technologii monitorowania oraz sterowania.

Trzeba podkreślić, że automatyzacja budynku, szczególnie związana z jego wydajnością energetyczną, pozwala spełniać coraz ostrzejsze wymagania prawne dotyczące ochrony środowiska i oszczędności energii.

Należy jednak rozgraniczyć pomiędzy systemami automatyki budynków, które są dedykowane dla dużych obiektów, a które są przeznaczone dla domów mieszkalnych. W pierwszym przypadku istnieje bardzo dużo różnych podsystemów, które są trudne w zarządzaniu i administracji.

Zastosowanie technologii sieciowych z jednym centrum sterowania znacznie redukuje koszt nadzoru nad istniejącymi instalacjami i jest ekonomicznie uzasadnione. W przypadku mniejszych budynków zastosowanie zbyt złożonych technologii nie zawsze jest opłacalne. Obecnie, z powodu wciąż zmniejszających się kosztów urządzeń i ich instalacji, systemy automatyki wkraczają także do domów mieszkalnych.

Warunki wprowadzania nowych technologii

Oceniając każdą nową technologie na rynku automatyki budynków należy rozważyć kilka podstawowych czynników, które są istotne z punktu widzenia użytkownika. Najważniejsze z nich to:

Dostępność – technologia powinna realizować wystarczająco dużo zadań za odpowiednią cenę tak, aby użytkownicy chcieli w nią zainwestować.
Łatwość użycia – technologia powinna być na tyle prosta w instalacji, aby użytkownik mógł wykorzystać ją praktycznie w momencie uruchomienia.
Niezawodność – po zainstalowaniu technologia powinna działać tak jak została zaprogramowana bez przerwy i bez szczególnego nadzoru ze strony użytkownika.
Elastyczność – należy umożliwić użytkownikowi wykorzystanie technologii w wybranym przez niego miejscu i w sposób zgodny z jego preferencjami, bez szczególnych ograniczeń.
Długi czas działania – istotną cechą urządzeń są długie okresy (miesiące, lata) bezawaryjnego i bezobsługowego działania. Tak więc należy rozważyć sposób ich zasilania.
Współdziałanie – należy umożliwić użytkownikowi nabycie komponentów stosowanych w danej technologii od różnych, niezależnych dostawców oraz umożliwić bezawaryjną i prostą współpracę tych urządzeń.
Rozwój – technologia powinna dostarczać użytkownikowi nowych, istotnych udogodnień i użytecznych funkcji; należy także umożliwić ciągłe zwiększanie możliwości urządzeń i poprawę ich działania.

Otwarte i zamknięte systemy automatyki budynków

Rys. 2. Dwupoziomowa hierarchia sieci w automatyce budynków

Przez wiele lat na rynku automatyki budynkowej rozwijane były systemy proponowane przez niewielką liczbę firm oferujących rozwiązania autorskie. Tworzone były one jako tzw. systemy zamknięte, których elementy były, pod względem konstrukcji, często objęte tajemnicą producenta.

Zwykle urządzenia oraz usługi instalacyjne i serwisowe były domeną jednej firmy lub niewielkiej liczby podwykonawców. Ponadto systemy takie nie były kompatybilne z innymi, tak więc inwestor decydując się na określone rozwiązanie, musiał przyjąć jednolity system w całym budynku. Rozwiązania tego typu dotyczyły dużych biurowców i budynków użyteczności publicznej, gdyż wymagały poniesienia wysokich kosztów związanych z ich zaprojektowaniem i instalacją.

Od kilkunastu lat na omawianym rynku rozwijane są interesujące alternatywne systemy automatyki, które należą do tzw. systemów otwartych. Charakteryzują się one spójnym zbiorem zasad dotyczących architektury oraz określają rozwój technologii niezależnie od sposobu implementacji.

Wiele z nich jest proponowanych, a ich rozwój nadzorowany przez organizacje, których istotnymi partnerami są firmy komercyjne i ośrodki badawcze. Systemy te charakteryzują się publicznymi protokołami i architekturami zatwierdzonymi przez producentów, integratorów i instytucje normalizacyjne. Poprzez zwiększenie liczby producentów skupionych wokół określonego rozwiązania, rośnie konkurencja na rynku, co stymuluje rozwój technologii. Takie podejście powoduje, że praktycznie każda firma może wyprodukować i wprowadzić na rynek urządzenie lub oprogramowanie mogące stać się częścią systemu otwartego.

Który wybrać?

Rys. 3. Tunelowanie

Może się wydawać, że inwestorzy i firmy projektujące instalacje w budynkach, chcąc ograniczyć wydatki, będą skłaniać się do wykorzystania systemów otwartych. Istnieje jednak wciąż wiele zastosowań, gdzie systemy zamknięte stanowią lepsze rozwiązanie.

Jedną z newralgicznych cech systemu automatyki budynkowej jest zapewnienie jego odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. Powszechnie znany, standardowy format danych przesyłanych pomiędzy urządzeniami w systemie otwartym powoduje, że bezpieczeństwo danych i całego systemu może być niskie. W tym przypadku zaletą systemów zamkniętych jest wyższy poziom uzyskany dzięki zastosowaniu niejawnego protokołu komunikacyjnego.

W przypadku systemów otwartych istnieje możliwość wykorzystania w instalacji urządzeń pochodzących od dowolnego producenta, które spełniają przyjęty standard. Niestety różnice w implementacjach pomiędzy produktami pochodzącymi z wielu źródeł mogą powodować problemy podczas ich współpracy.

Instalacja i utrzymanie systemu otwartego wymaga znajomości cech wielu elementów i konieczność tworzenia na bieżąco algorytmów pracy systemu, co wydłuża czas wdrażania. Ponadto znacznie trudniej jest zapewnić ciągłość działania i bezawaryjność. Cechą systemów zamkniętych jest mała liczba wytwórców produktów (często tylko jeden), co pozwala uzyskać wysoki stopień kompatybilności i ułatwia serwisowanie.

Zwykle producent zapewnia także obsługę starszych wersji oprogramowania ponadto istnieją już gotowe i przetestowane algorytmy pracy, co przyspiesza instalację. Dzięki powyższym cechom system zamknięty jest wdrażany sprawniej niż otwarty. Istotną wadą systemów otwartych jest wreszcie brak gotowych realizacji podsystemów bezpieczeństwa, gdyż wiąże się to z koniecznością jego certyfikacji i jawności, co automatycznie obniża poziom bezpieczeństwa.

Tak więc podsystemy zaliczane do krytycznych, czyli przeciwpożarowe, ostrzegania, itp., powinny być realizowane jako systemy zamknięte. W przypadku systemów otwartych istnieje niewiele możliwości współpracy z podsystemami bezpieczeństwa, natomiast w systemach zamkniętych są zwykle gotowe rozwiązania umożliwiające współpracę zarówno z podsystemami bezpieczeństwa, jak i systemami otwartymi.

Ostatecznie należy zwrócić uwagę, że zwykle proces certyfikacji określonych rozwiązań jest stosunkowo długi, co powoduje że najnowsze rozwiązania technologiczne pojawiają się w systemach otwartych z dużym opóźnieniem. Podstawowe różnice pomiędzy systemami otwartymi i zamkniętymi przedstawiono w tab. 1.

Powyższa analiza pokazuje, że w rzeczywistych rozwiązaniach automatyki budynków systemy otwarte mają pewne ograniczenia, szczególnie związane kwestiami bezpieczeństwa. Z tego względu, decydując się na przyjęcie jakiegoś rozwiązania, zwykle preferowana jest realizacja łącząca ze sobą systemy otwarte oraz systemy zamknięte.

Słowa-klucze do automatyki budynkowej

Z systemami automatyki budynków związane jest szereg interesujących zagadnień, które często również spotyka się w życiu codziennym. Poniżej opisano kilka wybranych:

HVAC – akronim wyrażenia Heating, Ventilation, Air Conditioning i oznacza systemy lub branżę inżynierii sanitarnej zajmującą się ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją. W języku polskim nie ma dokładnego odpowiednika tego pojęcia, ale można przyjąć, że HVAC to określenie instalacji zapewniających odczucie komfortu w pomieszczeniach.

Budynek inteligentny – budynek wyposażony w system czujników i detektorów oraz zintegrowany system zarządzania wszystkimi znajdującymi się w budynku instalacjami. Dzięki informacjom pochodzącym z różnych elementów systemu, system ten może reagować na zmiany środowiskowe wewnątrz i na zewnątrz, co prowadzi do maksymalizacji funkcjonalności, komfortu i bezpieczeństwa oraz minimalizacji kosztów eksploatacji i modernizacji. Dodatkowo inteligentny budynek, aby w pełni zasłużyć na to określenie, powinien dostosowywać się do każdego spośród jego użytkowników z osobna. Personalizacja połączona z uwzględnieniem potrzeb i oczekiwań konkretnego użytkownika jest realizowana za pomocą podsystemu bezpośredniego programowania przez jego operatora. Coraz częściej proponowane i rozwijane są metody adaptacyjne, znane z dziedziny sztucznej inteligencji.
Architektura high-tech – kierunek w architekturze zaliczany do postmodernizmu. Polega on na wykorzystaniu nowych technologii w konstrukcji budynków i w ich wyposażeniu technicznym oraz opiera wyraz architektoniczny budynku na cechach technologicznych. Ponieważ w zaawansowanych technicznie budynkach znaczy procent kosztów inwestycji stanowi techniczne wyposażenie obiektu, projektowanie architektoniczne oparte na zasadach high-tech dąży do zintegrowania wyposażenia technicznego z architekturą i strukturą budynku oraz czyni te systemy widocznymi i maksymalnie wzmacnia ich oddziaływanie funkcjonalne i wizualne.

Podsystemy w automatyce budynkowej

Podstawowym elementem automatyki inteligentnego budynku jest tzw. system zarządzania budynkiem BMS (Building Management System). Pozwala on na integrację, kontrolę oraz nadzór np. w postaci raportowania i sygnalizacji alarmów wszystkich obsługiwanych podsystemów. Podstawowe podsystemy tego typu to:

Podsystem sterowania zasilaniem – kontroluje pracę różnych urządzeń zasilanych prądem elektrycznym. Stosowany jest w celu określenia kiedy urządzenia są włączane i wyłączane lub wymagają mniejszego poboru energii. Ponadto może służyć do obniżenia poboru energii lub przełączenia się na zasilanie awaryjne.
Podsystem HVAC – podsystem sterowania instalacjami ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji i filtracji w oparciu o temperaturę i parametry jakości powietrza, takie jak np. zawartość dwutlenku węgla i wilgotność. Pozwala regulować temperaturę i warunki występujące w pomieszczeniach w zależności o tego, w jaki sposób są one wykorzystywane np. magazyny, pomieszczenia biurowe, kuchnie, itp.
Podsystem pogodowy – wykorzystuje on czujniki np. ciśnienia, temperatury lub natężenia oświetlenia wokół budynku, co pozwala na określanie warunków pogodowych. Na tej podstawie steruje urządzeniami wykonawczymi znajdującymi się w budynku. Przykładowo może podjąć decyzję o automatycznym zamknięciu lub przymknięciu okien, regulować pracą grzejników na podstawie pomiarów temperatury lub sterować oświetlenie wewnętrznym i zewnętrznym w zależności od obecności osób i natężenia światła słonecznego.
Podsystem przeciwpożarowy – podsystem ten składa się zazwyczaj z sieci czujników dymu i temperatury oraz bezpośredniej sieci przeciwpożarowej. Jego zadaniem jest ochrona budynku i jego użytkowników na wypadek pożaru. Jego działanie opiera się na wczesnym wykryciu miejsca powstania pożaru, uruchomieniu w danym pomieszczeniu urządzeń gaśniczych, oraz zapobieganiu rozprzestrzenianiu się ognia na inne pomieszczenia.
Podsystem alarmowy i monitoringu – celem jego stosowania jest ochrona budynku przed intruzami. Składa się on z różnych czujników i detektorów, które wykrywają próby włamania. Pozwala on na automatyczne informowanie o zaistniałych okolicznościach poprzez uruchomienie syren alarmowych i zawiadomienie odpowiednich służb. Podsystem monitoringu, składający się z kamer oraz czujników, na bieżąco rejestruje i archiwizuje wydarzenia zachodzące na terenie budynku.
Podsystem kontroli dostępu – związany jest on z kontrolą dostępu do różnych pomieszczeń osób znajdujących się w budynku.
Sieć teleinformatyczna – podsystem umożliwiający dostęp do sieci teleinformatycznej różnym urządzeniom znajdujących się w budynku. Umożliwia zdalny kontakt pomiędzy osobami w budynku oraz przesyłanie danych multimedialnych.

Jacek Suchenek - Dyrektor Pionu Inteligentnego Budynku, Qumak-Sekom SA

Jaka jest wartość rynku automatyki budynkowej w Polsce ?

Mamy rzetelne dane dotyczące roku 2004. Wtedy rynek szacowano na około 420 mln zł, natomiast tempo wzrostu na 10% w skali roku. Optymistycznie zakładano, że w roku 2007 rynek wzrośnie do 560 mln zł. Nie przewidziano jednak, że w Polsce nastąpi aż taki boom budowlany. Zatem prognoza była znacznie zaniżona. Obecnie, na podstawie rozmów z partnerami i klientami zagranicznymi. wartość rynku samych systemów automatyki budynkowej w 2007 roku oceniamy na poziomie 250-300 mln zł. Należy jednak wziąć pod uwagę wszystkie instalacje niskoprądowe, zapewniające pełną funkcjonalność budynku – wtedy wartość omawianego rynku wynosi prawie 1 mld zł. Próba oszacowania tego rynku jest kłopotliwa ze względu na liczbę i wielkość obiektów, które powstają.

Kto zajmuje się wykonywaniem instalacji w budynkach inteligentnych ?

Obecnie w Polsce rynek systemów automatyki budynkowej szybko rośnie, pojawiają się coraz nowocześniejsze technologie i coraz większe projekty. Realizować je mogą jedynie te firmy, które posiadają zaplecze w postaci wysokospecjalizowanej kadry inżynierskiej. Tylko wartość dodana w postaci wiedzy i doświadczenia specjalistów zapewnia realizację zindywidualizowanych rozwiązań, dostosowanych do specyficznych wymagań Inwestorów. Na polskim rynku liczących się firm jest kilka i są to zarówno integratorzy informatyczni jak i firmy zajmujące się do niedawna systemami zasilania elektroenergetycznego oraz instalacjami sanitarnymi (wentylacji i HVAC).

Z powyższych powodów generalni wykonawcy, inwestorzy nie poszukują już firm, które zajmą się wyłącznie systemami automatyki budynkowej oraz instalacjami teletechnicznymi. Zwykle przetarg dotyczy pełnego pakietu obejmującego projektowanie, wykonanie i wreszcie integrację zastosowanych technologii w obrębie systemów teletechnicznych i elektroenergetycznych. Przy takim podejściu rynek znacznie się rozszerza. Definitywnie trzeba jednak tutaj rozdzielić rynek na systemy instalowane w domach prywatnych od rynku systemów automatyki budynkowej w dużych obiektach komercyjnych. Ten pierwszy jest bowiem domeną niewielkich firm instalacyjnych.

Jakie wymogi stawiane są przed tworzonymi przez nich instalacjami ?

Podstawowymi wymogami stawianymi obecnie systemom automatyki budynkowej są skalowalność i kompleksowość. Zastosowany system powinien obejmować wszystkie występujące w budynku podsystemy monitorujące i nadzorujące prace poszczególnych elementów. Chodzi zarówno o rozwiązania obejmujące: systemy przeciwpożarowe, kontroli dostępu, klimatyzacji, telewizji dozorowej i sieci komputerowej. Alians możliwości nowoczesnej automatyki z IT daje możliwości stworzenia struktury wysokozaawansowanej. Przy takim połączeniu skuteczność zastosowanych technik opiera się głównie na technologii, a nie na właściwych reakcjach personelu rejestrującego rozproszone sygnały. Aktualnie na rynku polskim dostępnych jest kilka tego typu produktów. Zaufaniem cieszą są rozwiązania oferowane przez ekspertów w branży, tj.: Honeywell, Siemens, TAC, Delta Controls.

Obserwując rynek można stwierdzić, że systemy automatyki budynkowej rozwijane są i będą głównie w kierunku możliwości integracji niezależnych systemów takich jak systemy sygnalizacji pożaru, dźwiękowego systemu ostrzegania, itp. Ważnym elementem jest również możliwość wykorzystywania przez systemy automatyki budynkowej wspólnej platformy okablowania strukturalnego i komunikacji poprzez Ethernet.

Struktura hierarchiczna

W większości obecnie spotykanych przypadków system automatyki budynków charakteryzuje się strukturą hierarchiczną. Najpopularniejszy model składa się z trzech poziomów, z których każdy reprezentuje część funkcjonalności całego systemu automatyki budynku. Model taki został przedstawiony na rys. 1.

Najwyższy poziom nazywany jest poziomem zarządzania i odpowiada za realizację zaprogramowanych funkcji oraz nadzoruje wszystkie podsystemy. Grupuje stacje operatorskie, zaś operator ma możliwość konfiguracji oraz monitorowania całego systemu. Ponadto na tym poziomie zarządzania zbierane są i archiwizowane statystyczne dane dotyczące działania systemu.

W następnej kolejności występuje poziom automatyki, który zawiera sterowniki sieciowe i służy do integracji systemowej i sprzętowej, szczególnie gdy w zautomatyzowanym budynku współpracuje kilka systemów w różnych standardach. Ostatni poziom w hierarchii nosi miano wykonawczego. Składa się on z czujników, elementów wykonawczych, elementów wejścia/wyjścia i prostych regulatorów.

Obecnie coraz popularniejszy jest trend tzw. spłaszczania hierarchii, czyli doprowadzania do sytuacji, w której urządzenia znajdujące się w sieci realizują zadania z kilku poziomów. Systemy występujące poniżej poziomu zarządzania zaczynają natomiast charakteryzować się strukturą zdecentralizowaną, np. taką, jak przedstawiono na rys. 2. W tym przypadku zastosowano model dwupoziomowy.

Charakteryzuje się on zbiorem podsieci automatyki, które łączą urządzenia spełniające funkcje z opisanego wcześniej poziomu polowego i poziomu automatyki, nazywane urządzeniami inteligentnymi. Zbiór podsieci automatyki jest połączony jedną siecią główną nazywaną szkieletem (backbone). Do łączenia wykorzystuje się urządzenia o nazwach analogicznych do określeń tych stosowanych w sieciach informatycznych – routery, odpowiedzialne za zachowanie prawidłowego ruchu i synchronizacji pakietów w rozbudowanej sieci, oraz bramy (gateways), tłumaczące wiadomości wysyłane pomiędzy urządzeniami w różnych segmentach w przypadku gdy posługują się odmiennymi protokołami.

Jeśli jedno z urządzeń polowych wysyła dane do urządzenia zlokalizowanego w innym segmencie i informacje są przesyłane oraz tłumaczone przez urządzenia łączące, to jest to komunikacja „dół-góra”. Natomiast w przypadku, gdy jedno z urządzeń poziomu zarządzania pobiera dane z urządzenia łączącego np. dane statystyczne na temat ruchu w danym segmencie, to ten typ komunikacji nazywany jest komunikacją „góra-dół”.

Prędkość przesyłania danych jest zwykle różna w zależności od rozważanego poziomu. Stwierdzono, że pakiety informacji przesyłanie na poziomie urządzeń polowych są znacznie mniejsze niż te, które są przesyłane na poziomie zarządzania. Tak więc im wyższy poziom tym ilość danych wymaganych do przesłania wzrasta, co powoduje że wymagana jest większa przepustowość sieci.

Przykładowo typowa prędkość na poziomie zarządzania to kilka MB/s lub więcej, natomiast na poziomie urządzeń wykonawczych wystarczy często kilka kB/s. Jednak w przypadku urządzeń wykonawczych ważniejsze stają się ograniczenia czasowe i odpowiednia synchronizacja zapewniające prawidłową, zgodną z przeznaczeniem pracę.

Systemy automatyki budynkowej są zwykle projektowane w postaci rozproszonej. Charakteryzują się one szeregiem zalet, czego przykładem są większa tolerancja na uszkodzenia, mniejsze opóźnienia w pętlach regulacji oraz mniej miejsc, w których sieć może się zatkać. Należy jednak pamiętać, że systemy rozproszone są złożone i trudne do zaprojektowania.

Czy budynek jest ekologiczny?

Energia zużywana przez budynki w Europie stanowi 40% całej wykorzystywanej w tym rejonie energii. Aby spełnić zobowiązania określone w protokole z Kyoto, została zaproponowana Dyrektywa Unii Europejskiej dotycząca Wydajności Energetycznej Budynków (EPBD – Energy Performance of Buildings Directive). Została ona po raz pierwszy opublikowana w styczniu 2003 roku i obejmuje wszystkie budynki w Europie. Podstawowe założenia dyrektywy dotyczą:

minimalnych wymagań wydajności energetycznej wszystkich nowopowstałych budynków,
minimalnych wymagań wydajności energetycznej istniejących dużych budynków, w których przeprowadzone zostaną remonty generalne,
certyfikacji energetycznej budynków, która w szczególności ma objąć często odwiedzane budynki użyteczności publicznej,
regularnych obowiązkowych inspekcji systemów ogrzewania i klimatyzacji.

Sposoby przesyłania informacji

Większość systemów stosowanych w automatyce budynkowej wykorzystuje do komunikacji różne rodzaje mediów. W zależności od zaproponowanego rozwiązania, można dokonać podziału na trzy grupy.

Pierwsza z nich to sieci z nowym okablowaniem – działają one na specjalnie zaprojektowanej i położonej sieci kabli. Jest to najlepszy sposób na zapewnienie prawidłowej komunikacji i wysokiej jakości transmisji danych. Sieci bez nowego okablowania wykorzystują istniejącą infrastrukturę. Stosuje się w nich dwie najpopularniejsze metody połączenia ze sobą urządzeń.

Pierwszą z nich jest wykorzystanie domowej skrętki telefonicznej. Wadą tego rozwiązania jest jednak brak dostępu do wielu pomieszczeń. Innym sposobem jest wykorzystanie zewnętrznego i wewnętrznego okablowania energoelektrycznego tzw. PLC (Power Line Communication). Poważnym problemem są w tym przypadku zaburzenia elektromagnetyczne, które mogą znacznie obniżyć jakość sygnału i ograniczać szybkość przesyłania danych.

Trzecią grupę stanowią sieci wykorzystujące komunikację bezprzewodową. Tutaj problem kabli nie istnieje, ale należy pamiętać, że jakość transmisji może być różna. Zakresy częstotliwości wykorzystywane przez urządzenia komunikujące się drogą radiową są stosunkowo ograniczone i dostępne także dla innych urządzeń gospodarstwa domowego np. kuchenek mikrofalowych.

Interesującą technologią umożliwiającą zdalne zarządzanie systemem automatyki budynków jest tzw. tunelowanie danych. W tym przypadku możliwy jest nadzór urządzeń z wykorzystaniem standardowych sieci np. TCP/IP, które są instalowane – szczególnie w dużych obiektach, niezależnie od systemu automatyki budynku. Staje się ona wtedy szkieletem dla sieci budynkowej, ale nie musi dostarczać wszystkich usług sieciowych.

Informacja z jednej podsieci do drugiej przesyłana jest przez tzw. tunel logiczny zrealizowany w postaci jednego pakietu tłumaczonego tylko pomiędzy segmentami przez routery tunelujące, co zostało przedstawione na rys. 3. W ten sposób może być zrealizowane zdalne połączenie z systemem automatyki i zarządzanie nim z wykorzystaniem sieci publicznych, bez potrzeby obecności operatora w budynku.

LonWorks w budynku Prokom Software

W siedzibie głównej Prokom Software w Gdyni – budynku o powierzchni 26 tys. m2, zrealizowany został system zarządzania oparty o LonWorks. Zawiera on ponad 1400 węzłów i około 15 tys. punktów wejść/wyjść zintegrowanych poprzez sieciowy system operacyjny LNS. Automatyka budynku sterująca 12 centralami klimatyzacyjnymi, węzłem ciepła i chłodu oraz wentylatorami wyciągowymi jest zrealizowana w oparciu o swobodnie programowalne sterowniki TAC Xenta i moduły wejść/wyjść produkcji TAC.

System sterowania strefowego składa się ze sterowników TAC Xenta 100 regulujących pracą klimakonwektorów i sterowników Honeywell do skrzynek VAV. Sterowanie komfortem w pomieszczeniach jest funkcjonalnie zintegrowane z systemem oświetlenia Helio firmy Philips. Inne produkty i instalacje zintegrowane w LNS to liczniki ciepła Kamstrup oraz monitoring stanu wyłączników głównych rozdzielnic elektrycznych, detektorów CO i liczników wody poprzez moduły produkcji ZDANiA.

Budynek Prokomu jest również wyposażony w system dynamicznego przydziału mocy z UPS sterowany przez sterowniki TAC Xenta 400 i moduły wejść/wyjść Honeywell. Graficzny system nadzoru został dostarczony przez firmę Siemens wykorzystując mechanizm OPC do integracji sieci LonWorks. System ten został w całości zaprojektowany i wykonany przez inżynierów firmy Prokom w latach 2002-2004. Do oprogramowanie systemu wykorzystano programy narzędziowe TAC Menta i LonMaker firmy Echelon.

Klasy urządzeń

W systemie automatyki budynkowej wydzielić można kilka podstawowych klas urządzeń, w zależności od ich przeznaczenia. Każde z nich znajduje się na różnych poziomach w przestawionym wcześniej modelu. Bazując na modelu dwupoziomowym wyróżnić można trzy klasy urządzeń – polowych, łączących oraz klasa urządzeń poziomu zarządzania. Charakterystyczne parametry każdej z nich zostały zamieszczone w tab. 2.

Typowe urządzenia polowe zlokalizowane są na poziomie automatyki (model dwupoziomowy). Odpowiadają one za zbieranie danych, ich przetwarzanie i na tej podstawie sterowanie elementami oddziałującymi bezpośrednio na środowisko. Zwykle były to proste sensory i elementy wykonawcze, jednak obecnie zaczynają być wykorzystywane urządzenia inteligentne.

W celu zwiększanie ich funkcjonalności oraz umożliwienia zaawansowanej konfiguracji stosuje się wbudowane w urządzenia układy z mikrokontrolerami. Integratorzy systemu automatyki budynku mogą więc określić dokładnie zadanie, które będzie realizowane. Układy takie powinny więc charakteryzować się niskim poborem energii oraz systemami chłodzenia pasywnego, tj. bez elementów ruchomych. Zwykle wystarczające są mikrokontrolery 16-bitowe, a nawet 8-bitowe.

Ponadto urządzenia polowe powinny być odporne na trudne warunki pracy, ponieważ narażone są na częste zmiany takich czynników środowiskowych jak temperatura, wilgotność i ciśnienie. Typowym modelem komunikacji w tym przypadku jest peer-to-peer, który jest odporny na błędy, oraz nie wprowadza dużych opóźnień w pętlach regulacji.

Podobnie jak w przypadku urządzeń polowych, bramy i routery zazwyczaj nie wykonują zadań o dużym stopniu złożoności obliczeniowej. Ponieważ jednak znajdują się w topologicznie ważnych miejscach sieci, często dodawane są do nich dodatkowe funkcje, takie jak monitorowanie podsieci i logowanie.

Urządzenia łączące znajdują się w centralnych punktach budynku, zaś ich warunki pracy nie są zazwyczaj trudne. Ze względu na ich istotną rolę w systemie automatyki budynku powinny być odporne na uszkodzenia i bezawaryjne. W przypadku komunikacji routerów i bram z urządzeniami na poziomie zarządzania, stosowany jest model komunikacji klient/serwer, natomiast podczas przesyłania danych pomiędzy urządzeniami w różnych podsieciach stosowany model peer-to-peer.

Ostatnią klasą są urządzenia poziomu zarządzania, które podłączone do sieci szkieletowej. Stosowane są one do nadzorowania oraz konfiguracji znajdujących się w niej urządzeń. Ponadto zbierają i przechowują istotne dane na temat pracy całego systemu, oraz umożliwiają podłączenie do innych sieci. Można wydzielić dwa rodzaje takich urządzeń.

Pierwsze z nich nazywane są stacjonarnymi i są to np. serwery, stacje operatorskie, terminale i komputery osobiste znajdujące się w określonych, niezmiennych punktach w sieci. Oprócz tego wyróżnia się także tzw. urządzenia tymczasowe (temporary devices), które nie mają swojego określonego punktu podłączenia. Podłączane są one do sieci w konkretnym celu i po przeprowadzeniu określonych działań są odłączane. Liczba urządzeń poziomu zarządzania jest zwykle znacznie mniejsza, niż na innych poziomach.

Oznacza to, że koszt tych urządzeń może być większy, szczególnie że ich zadania wymagają większych mocy obliczeniowych - np. przetwarzania i analizy danych na temat pracy sieci. Wymagają one także szybkiego przesyłania dużych ilości danych i nie muszą być odporne na czynniki atmosferyczne. Podczas łączenia się z innymi urządzeniami, w celu konfiguracji lub przeglądu, wykorzystywany jest model komunikacji klient/serwer.

Najważniejsze standardy

W artykule przedstawiono podstawy związane z automatyką budynkową i sieciami wykorzystywanymi w inteligentnych budynkach. Naturalną kontynuację tej tematyki stanowi opis wybranych standardów wykorzystywanych w tego typu systemach. W drugiej części artykułu, która opublikowana zostanie za miesiąc, przestawione zostanie zestawienie informacji dotyczących trzech z nich – KNX/EIB, LonWorks oraz BACnet, które mają status systemów otwartych. Należą one też do najpopularniejszych w Europie. BACnet jest standardem objętym przez międzynarodową normę EN/ISO 16484-5. Systemy KNX EIB oraz LonWorks są standardami objętym normami europejskimi, odpowiednio EN 50090 (KNX) oraz EN 14908 (LonWorks).

Tabele